方勇宋杰

（中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連116023）

0 引言

在某些高溫高壓高速實驗場合中，溫度、壓力、振動等環(huán)境參數(shù)是是檢驗被測物體及運動裝置的可靠性和可維修性的重要依據(jù)，為被測物體的改進提供必要的依據(jù)。而這些參數(shù)的測量通過熱電偶傳感器、壓力傳感器、振動傳感器將物理量信息轉(zhuǎn)換成電信號，送給一體化前端采集控制器。一體化前端采集控制器將所接收到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，將數(shù)據(jù)保存起來，并可以通過以太網(wǎng)口、RS422及USB口等通訊接口將數(shù)據(jù)上傳至計算機中。計算機可以處理和分析數(shù)據(jù)，并可以將處理結(jié)果用報表、圖表的方式打印出來。由于這些實驗的無法重復(fù)性、復(fù)雜性這就對一體化前端采集控制器的設(shè)計提出了更高的要求，不僅具備多通道高速采集和大容量存儲的功能還應(yīng)具有很高的可靠性、精確性和電磁兼容性。

1 一體化前端采集控制器工作原理

一體化前端采集控制器的工作原理圖如圖1所示。一體化前端采集控制器將采集通道、主控部分、數(shù)據(jù)總線等集成在一起，采用嵌入式計算機技術(shù)設(shè)計，實現(xiàn)一體化程控，并具有RS422、USB2.0和以太網(wǎng)接口。

圖1 一體化前端采集控制器工作原理圖

2 硬件設(shè)計方案

2.1 主控制部分

每臺采集器都有一個主控制板，其作用是通過相應(yīng)的端口與上位機進行數(shù)據(jù)交換，并通過控制總線對采集板進行控制與數(shù)據(jù)交換。組成框圖如圖2所示。

圖2 主控部分組成框圖

2.1.1 中央處理器

考慮到系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集、大容量數(shù)據(jù)存儲，通道獨立性等特點，數(shù)據(jù)采集和存儲的控制由一個高速32位DSP（數(shù)字處理單片機）芯片實現(xiàn)。DSP單片機與普通單片機相比，在運行速度和數(shù)據(jù)處理能力上都有后者無法比擬的優(yōu)越性，完全可以滿足系統(tǒng)高速采集的要求。在DSP芯片的選擇上，采用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點處理DSP芯片，該芯片不但運行速度高（可達(dá)150MHz的主頻），處理功能強大，并且具有豐富的片內(nèi)外圍設(shè)備，便于接口和模塊化設(shè)計，其信價比極高。而且它特有的性能是外部存貯空間接口可達(dá)1MB、可編程等待狀態(tài)、三個獨立的片選端還有幾十個GPIO端口可供選擇。此特點用于管理其它采集板通訊雙口RAM（IDT7027）提供了很大的方便。芯片內(nèi)部具有8K×16的片內(nèi)Flash存儲器，可以大大降低系統(tǒng)的體積，而且其功耗也比較低（核心電壓1.8V,I/O口電壓3.3V）。

2.1.2 主控板CPLD

為方便通道的可擴展性，設(shè)計了一套完整的并行數(shù)據(jù)總線和協(xié)議。每塊采集板上都有自己的一個控制CPU來進行采集和存儲控制，并通過并行數(shù)據(jù)總線和協(xié)議由一塊主控制板來與上位機進行數(shù)據(jù)交換。為增強儀器的可靠性和總線的驅(qū)動能力，所以在每塊板上都增加了一套總線驅(qū)動器，考慮到板子體積大小，將總線驅(qū)動器做到了一個CPLD中，其特點就是集成度高，體積小，邏輯更改方便可以通過編程來實現(xiàn)。

2.2 采集通道部分

為了增加板子可靠性和獨立性，我們設(shè)計中都將每塊板子設(shè)計成為了相對獨立的采集器。由自己控制CPU、采樣AD、信號調(diào)理前端、存貯磁盤及通訊總線。其組成框圖如圖3所示。

圖3 采集通道部分組成框圖

2.2.1 中央處理器

根據(jù)儀器需要及與主控部分的編程操作方便，CPU控制器也是選用TI公司的TMS320F2812PGFA 32位定點處理DSP芯片，它還具有3個32位的CPU定時器，運用這三個定時器，可實現(xiàn)AD的定時采集，以達(dá)到采樣頻率：10Hz-160KHz/通道，連續(xù)可調(diào)。

2.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的關(guān)鍵部位。設(shè)計中采用了AD公司的高速16位A/D轉(zhuǎn)換器AD7663AST芯片。該AD轉(zhuǎn)換器具有高速度、高精度、低功耗、單一電源供電（+5V）等特點，使用其±5V量程檔?？梢酝耆珴M足本測量系統(tǒng)對于測量速度和測量精度16位的要求。

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲也是數(shù)據(jù)采集通道中的一個關(guān)鍵部分，它必須滿足存儲容量和能夠掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的雙重功能。設(shè)計中采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器緩存加大容量電子盤（ADC）作為存儲介質(zhì)實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲。電子盤與普通Flash存儲器相比，具有速度快、容量大的優(yōu)點；與普通硬盤相比，存儲容量相當(dāng)，電子盤的工作環(huán)境溫度更寬、抗沖擊振動能力強、體積小、安裝形式多，更適合本測量系統(tǒng)。根據(jù)程序支持的存貯容量，用戶通過上位機軟件去選擇存儲盤的容量，最高可支持512M字節(jié)的存儲。

2.2.4 雙口RAM

增加雙口RAM目的是為了實現(xiàn)系統(tǒng)在采集過程中的實時監(jiān)控功能。當(dāng)CPU在采樣過程中先將AD的采樣數(shù)據(jù)放在靜態(tài)RAM中，然后再將數(shù)據(jù)存入電子盤。當(dāng)采樣率比較高的時候CPU的工作頻率也就相對比較高。這時靠CPU再與上位機進行數(shù)據(jù)交換已經(jīng)來不及了。在不影響采集存儲的情況下只有靠主控板自己的CPU把數(shù)據(jù)從采集RAM取走傳給上位機。普通單口RAM只有一個讀寫操作口無法實現(xiàn)上述功能，而雙口RAM有左右兩個讀寫操作口，這樣就可以實現(xiàn)了邊存儲邊顯示的功能了。而且為增加總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群头奖阈?，將雙口RAM的存儲區(qū)劃分幾個不同的區(qū)域，每塊采集板的所有要與主控板進行交換的數(shù)據(jù)及命令都靠取RAM中不同區(qū)域數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。根據(jù)需要選用IDT公司的IDT70V28L芯片，其存儲容量為64k X 16位，電源為3.3V。該芯片典型功耗為440mW，待機功耗僅660μW。

2.2.5 信號調(diào)理前端

信號調(diào)理前端作用就是把傳感器的信號歸一化為理想的電壓信號，再由AD進行采樣轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)在大多數(shù)傳感器信號輸出型式有三種：電荷型、單端電壓型、差分電壓型。為實現(xiàn)儀器能對多種信號進行采集，所以在采集板上做了三種信號調(diào)理電路，通過模擬電子開關(guān)及編程的方式來實現(xiàn)信號的切換。

2.3 電源管理模塊

為滿足野外無外接電源長時間工作需求，選大容量聚合物鋰電池，選定制的電池保護電路保證穩(wěn)定的電流輸出。大容量聚合物鋰電池可根據(jù)需要擴充電量，外置的電池盒可方便拆卸和搬運，在電池盒中設(shè)置的溫控電路也可保障電池在低溫環(huán)境下的工作。

3 軟件設(shè)計

前端采集器需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲3個基本功能，這三部分在系統(tǒng)軟件的監(jiān)控和任務(wù)調(diào)度下協(xié)同運行。軟件設(shè)計的主要流程圖如圖4所示。

圖4 軟件主要流程圖

進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，程序首先對系統(tǒng)初始化，內(nèi)部計時器開始計時，啟動ADC采集數(shù)據(jù)，主程序進入一個死循環(huán)；當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換完畢，進入中斷子程序，采集并存儲數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)存儲到硬盤里，以便進行數(shù)據(jù)處理與分析。

4 可靠性和電磁兼容性設(shè)計

4.1 可靠性設(shè)計

一體化前端采集控制器設(shè)計時，在滿足整機主要性能指標(biāo)的前提下，按照可靠性的要求進行簡化設(shè)計、降額設(shè)計、熱設(shè)計、三防設(shè)計、安全設(shè)計等，從簡化電路構(gòu)成、增加元件參數(shù)額定使用上限、加強散熱效果、采取三防處理、采取絕緣處理等方面考慮，確保了一體化前端采集控制器的可靠性。

4.2 電磁兼容性設(shè)計

一體化前端采集控制器在設(shè)計中采取一系列電磁兼容及抗干擾措施：電源模塊的輸入、輸出都具有濾波電路；同時在每塊印制板的電源入口處放置大電容，在每個組件旁和每個信號的輸入接口處放置小電容，從而加強了儀器抗電磁兼容干擾的能力；印刷板采取了去耦措施，電源端、輸入輸出端加濾波；印刷線路板布線有規(guī)則前向布線，盡量縮短布線長度；信號線與回線盡量靠近，平行走線。按電路類型對元件、邏輯組件進行分組，相對集中，相互獨立的功能塊周圍用地線環(huán)繞；采用多層印制板，增加電源層及接地層接觸面，增強抗干擾能力；對儀器所用元器件嚴(yán)格按照選用標(biāo)準(zhǔn)進行篩選和選用，保證其抗干擾能力；由于整機采用金屬殼，具有屏蔽作用，因此會大幅度減少內(nèi)部噪聲輻射到機殼外部。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的一體化前端采集控制器具備多通道、大容量、高速采集與存儲的功能。由于采用了高性能的DSP芯片TMS320F2812PGFA和采用嵌入式計算機技術(shù)，加入了可靠性設(shè)計和電磁兼容性設(shè)計，適合一些高溫高壓高速實驗場合測量的要求。

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［2］蘇奎峰,呂強,耿慶鋒,等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2005.

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